ANSYS Fluent 的气动噪声模型特点介绍

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1. CAA（直接模拟模型）

ANSYS Fluent 中的CAA 方法可以通过求解流体动力学方程直接得到声波的产生和繁殖现象。声波的预测需要控制方程时间精度的解，而且，CAA 方法需要ANSYS Fluent 通过求解非稳态N-S 方程（如DNS）、非稳态雷诺平均RANS 方程以及在分离涡DES 和大涡LES模拟中用到的滤波方程，精确模拟粘性效应和湍流效应。

CAA 方法需要高精度的数值求解方法、非常精细的网格以及声波非反射边界条件，因此计算代价较高。如果要计算远场噪声（比如几百倍的机翼弦长远处的噪声传播），CAA 方法则需要超大规模并行计算支持；但是如果计算近场噪声（比如，机身表面的APU、空穴、微小部件扰动噪声），CAA 方法是容易可行的。在大多包含近场噪声的计算中，由于局部压力波动导致的噪声是可以通过ANSYS Fluent 准确模拟的。既然CAA 方法直接求解声波传播，那么需要求解可压缩的控制方程（如雷诺平均方程、可压缩的LES 大涡模拟的滤波方程）。当流动速度较低或亚音速流动时，而且近场中的噪声源主要由局部压力波动构成，则可以使用不可压缩流动。然而，不可压缩流动处理不能模拟回声和声波反射现象。

2. Acoustic Analogy Modeling（声比拟模型）

对于中场和远场噪声模拟，ANSYS Fluent 采用基于Lighthill 的“噪声比拟”方法，作为CAA 方法的补充是ANSYS Fluent 中计算代价较小的方法之一。“噪声比拟”方法不同于CAA 方法，它把波动方程和流动方程解耦，在近场流动解析采用适当的控制方程比如非定常雷诺平均、DES 分离涡或LES 大涡模拟等方法，然后再把求解结果作为噪声源，通过求解波动方程得到解析解，这样就把流动求解过程从声学分析中分离出来。

ANSYS Fluent 采用基于Ffowcs Williams and Hawkings（FW-H 方程）的方程，FW-H 方程采用最通用的Lighthill 的“噪声比拟”方法，可以求解由单极子、偶极子和四极子产生的噪声传播。ANSYS Fluent 采用时域积分的方法（声压、噪声信号与时间相关），通过少量的面积分计算指定位置的噪声。

流场变量（如压力、速度分量、源（散射）面的密度）时间精度的解的获得需要求解面积分。时间精度的解可以从非稳态雷诺平均方程（URANS）、大涡模拟（LES）、或分离涡（DES）模型求解得到，可以捕捉精确的流动特征如涡脱落等现象。

ANSYS Fluent 中的噪声积分源面不仅可以放在不可穿透壁面上，也能放在内部（可穿透）面上，这样就可以考虑源面包围的四极子噪声贡献。特别是针对飞行器高、亚音速流动，四极子噪声影响不可忽略，ANSYS Fluent 中先进的基于“可穿透面积分”的FW-H 模型可以很好解决高、亚速气动噪声问题。

宽频噪声和音频噪声都可以通过精确求解流动中的噪声源特征体现，但这对各种流动的湍流模型要求较高，ANSYS Fluent 中丰富的湍流模型可以满足流动求解的精度。

ANSYS Fluent 中的FW-H 噪声模型可以选择多个源面和接收位置，也可以保存噪声源数据，或在瞬态流动求解过程中同时执行噪声计算。声压信号可以通过快速傅立叶（FFT）变换得到，结合ANSYS Fluent 后处理获得全部声压标准（SPL）和能量谱范围下的噪声数据图。

ANSYS Fluent 的FW-H 噪声模型能够预测声波向自由空间的传播，因此对于航空领域如飞行器绕流引起的远场气动噪声可以得到比较准确的分析结果。FW-H 噪声模型目前还不能预测封闭空间内或噪声向密闭空间内部的传播。

3. Broadband（宽频噪声模型）

在许多工程应用中的湍流，噪声没有明显的频段，声波能量连续分布在一个宽频段范围内按频率连续分布，这就涉及到宽频噪声问题。在ANSYS Fluent 的宽频噪声模型中，湍流参数通过RANS 方程求出，再用一定的半经验修正模型（如 Proudman 方程模型、 边界层噪声源模型、 线性Euler 方程源项模型、Lilley 方程源项模型）计算表面单元或体积单元的噪声功率。下面简要说明在ANSYS Fluent 的宽频噪声模型中的修正模型：

1) Proudman 方程

• 最初由Proudman 于1952年导出，求解各项同性湍流噪声（四极子噪声源），Proudman 方程适用的假设是：高雷诺数、低马赫数及各向同性湍流流动。计算公式如下：
  
  
• 在ANSYS Fluent 中采用体积后处理变量Acoustic Power 或Acoustic Power Level（dB）来描述四极子噪声在总噪声能量中的贡献，计算公式如下：
  

2) Turbulent Boundary Layer Noise（湍流边界层噪声源项）

• 在ANSYS Fluent 中后处理变量中，Surface Acoustic Power[W/m^2]或Surface AcousticPower Level（dB）作为表面后处理积分量，具体公式如下：
  
  
• Turbulent Boundary Layer Noise 源项模型对于评估局部偶极子噪声源对总噪声能量的贡献非常有用。
• 对于三维增升装置降低噪声设计快速评估，Turbulent Boundary Layer Noise 源项不失为一种快速有效的方法。
  

3) Source Terms in Linearized Euler Equations (LEE)（线性Euler 方程源项）

• 线化欧拉方程从N-S 方程导出，通过把流动分解为时均流、湍流和噪声分量，同时假设噪声分量远远小于时均流和湍流分量。方程如下：
  
  
• Shear noise 是由于时均流和湍流的交互作用产生，Self noise 是湍流流场自发产生的。
• ANSYS Fluent 后处理采用Stochastic Noise Generation and Radiation（简称SNGR）的方法计算源项的总体均值。
  

4) Lilley 方程源项
Lilley 方程是三阶波动方程，由可压缩流体的质量守恒和动量守恒方程联合导出。Lilley方程源项包含Shear noise 和Self noise 两项；Shear noise 包含时均流，但是Self noise 不包含。

ANSYS Fluent 后处理采用Stochastic Noise Generation and Radiation（简称SNGR）的方法计算源项的总体均值。

Broadband 模型是CAA 和“声比拟”方法的很好补充，特别是对飞机部件的降噪设计过程中，可以采用宽频噪声模型提取有用的诊断信息来快速确定流动中的哪一部分对噪声影响最大。然而，这些源项模型不能预测接收位置的噪声量级。
Broadband 模型不需要瞬态流动解，所有的源项模型只需要典型的RANS 方程解，比如实际速度场、湍动能和湍流耗散率。因此宽频噪声模型需要最小的计算代价。

本文摘录自《ANSYS Fluent 气动噪声模型使用指南》

长颈鹿0414

在流场瞬态计算的过程中，不使用噪声模型，直接监测某点的static pressure随时间的起伏变化，能否直接用这个压强的功率谱计算声压谱呢？